小型水电站往往建立在小型河流及水坝等处,有着径流量不稳定、水头波动较大的特点,需要更宽的转速运行范围。无刷双馈发电机采用变速恒频发电方式,能够通过适应水头变化来调节转速以提高水电机组的获能效率,而且较小的变频器容量和无刷的工作方式也能减小了建设及维护成本,提高机组的可靠性。本文首先阐述了无刷双馈水力发电技术的应用背景,介绍了国内外水电资源开发现状及发展动态,对变速恒频发电技术做了初步介绍,并对无刷双馈电机国内外研究历史与现状进行了概述。其次对无刷双馈水力发电机组基本原理进行了分析,具体研究了水轮机及无刷双馈电机的基本原理和工作特性,在不同的水头和负荷要求的条件下,通过调节无刷双馈发电机的运行转速提高水电机组的发电效率和最高出力,并研究了优化过程中的转速调节方法。第三部分对无刷双馈发电机并网发电控制技术进行研究。基于并网发电时的电压稳定性特征,采取电网电压矢量定向控制对电机模型进行简化。对电压定向的过程中的锁相环进行了不同电网环境下的对比研究分析,为之后的并网算法及并网运行控制提供了坐标系参考。在无刷双馈发电机并网发电控制算法中,主要对无刷双馈电机并网切换控制技术及功率解耦控制技术进行研究,采取间接矢量控制及闭环补偿相结合的方式,以简化电机控制算法,并增强控制系统抗参数扰动的鲁棒性。最后研究了网侧稳压变换器的控制算法。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,对系统进行仿真验证。本文的最后通过实验平台对无刷双馈电机发电控制系统进行了实验验证,并基于北山水电站开展了无刷无刷双馈电机与恒速同步机的对比实验分析,初步检验了无刷双馈发电机系统在水电站运行中的出力提升能力。